Gràcies per visitar Nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per obtenir els millors resultats, us recomanem que utilitzeu una versió més recent del vostre navegador (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). Mentrestant, per garantir una assistència contínua, mostrem el lloc web sense estils ni JavaScript.
L'àcid esteàric (SA) s'utilitza com a material de canvi de fase (PCM) en dispositius d'emmagatzematge d'energia. En aquest estudi, es va utilitzar el mètode sol-gel per microencapsular un tensioactiu de closca de SiO2. Diverses quantitats de SA (5, 10, 15, 20, 30 i 50 g) es van encapsular en 10 mL de tetraetil ortosilicat (TEOS). El material de canvi de fase microencapsulat sintetitzat (MEPCM) es va caracteritzar mitjançant espectroscòpia infraroja de transformada de Fourier (FT-IR), difracció de raigs X (XRD), espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) i microscòpia electrònica d'escombratge (SEM). Els resultats de la caracterització van mostrar que el SA es va encapsular amb èxit amb SiO2. L'anàlisi termogravimètrica (TGA) va mostrar que el MEPCM té una millor estabilitat tèrmica que el CA. Mitjançant calorimetria diferencial d'escombratge (DSC), es va trobar que el valor d'entalpia del MEPCM no canviava ni tan sols després de 30 cicles d'escalfament-refredament. Entre totes les mostres microencapsulades, 50 g d'SA que contenia MEPCM van tenir la calor latent de fusió i solidificació més alta, que van ser de 182,53 J/g i 160,12 J/g, respectivament. El valor de l'eficiència del paquet es va calcular utilitzant dades tèrmiques i l'eficiència més alta es va trobar per a la mateixa mostra, que va ser del 86,68%.
Aproximadament el 58% de l'energia utilitzada a la indústria de la construcció s'utilitza per escalfar i refrigerar edificis1. Per tant, el més necessari és crear sistemes energètics eficients que tinguin en compte la contaminació ambiental2. La tecnologia de calor latent que utilitza materials de canvi de fase (PCM) pot emmagatzemar molta energia a baixes fluctuacions de temperatura3,4,5,6 i es pot utilitzar àmpliament en camps com la transferència de calor, l'emmagatzematge d'energia solar, l'aeroespacial i la climatització7,8,9. El PCM absorbeix l'energia tèrmica dels exteriors dels edificis durant el dia i l'allibera a la nit10. Per tant, es recomanen els materials de canvi de fase com a materials d'emmagatzematge d'energia tèrmica. A més, hi ha diferents tipus de PCM com ara sòlid-sòlid, sòlid-líquid, líquid-gas i sòlid-gas11. Entre ells, els materials de canvi de fase més populars i utilitzats amb freqüència són els materials de canvi de fase sòlid-sòlid i els materials de canvi de fase sòlid-líquid. Tanmateix, la seva aplicació és molt difícil a causa dels enormes canvis volumètrics dels materials de transició de fase líquid-gas i sòlid-gas.
El PCM té diverses aplicacions a causa de les seves propietats: els que es fonen a temperatures inferiors a 15 °C es poden utilitzar en sistemes d'aire condicionat per mantenir temperatures fredes, i els que es fonen a temperatures superiors a 90 °C es poden utilitzar en sistemes de calefacció per prevenir incendis12. Depenent de l'aplicació i el rang de punts de fusió, s'han sintetitzat diversos materials de canvi de fase a partir de diferents productes químics orgànics i inorgànics13,14,15. La parafina és el material de canvi de fase més utilitzat amb una calor latent elevada, no corrosiva, seguretat i un ampli rang de punts de fusió16,17,18,19,20,21.
Tanmateix, a causa de la baixa conductivitat tèrmica dels materials de canvi de fase, cal encapsular-los en una closca (capa exterior) per evitar fuites del material base durant el procés de canvi de fase22. A més, els errors operatius o la pressió externa poden danyar la capa exterior (revestiment), i el material de canvi de fase fos pot reaccionar amb els materials de construcció, causant corrosió de les barres d'acer incrustades, reduint així la capacitat de servei de l'edifici23. Per tant, és important sintetitzar materials de canvi de fase encapsulats amb suficient material de closca, que pugui resoldre els problemes anteriors24.
La microencapsulació de materials de canvi de fase pot augmentar eficaçment la transferència de calor i reduir la reactivitat ambiental, i controlar els canvis de volum. S'han desenvolupat diversos mètodes per a l'encapsulació PCM, concretament la polimerització interfacial25,26,27,28, la polimerització in situ29,30,31,32, la coacervació33,34,35 i els processos sol-gel36,37,38,39. La resina de formaldehid es pot utilitzar per a la microencapsulació40,41,42,43. Les resines de melamina-formaldehid i urea-formaldehid s'utilitzen com a materials de closca, que sovint emeten formaldehid tòxic durant el funcionament. Per tant, es prohibeix l'ús d'aquests materials en els processos d'envasament. Tanmateix, es poden sintetitzar materials de canvi de fase respectuosos amb el medi ambient per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica escalable mitjançant nanocàpsules híbrides basades en àcids grassos i lignina44.
Zhang et al. 45 et al. van sintetitzar àcid làuric a partir d'ortosilicat de tetraetil i van concloure que a mesura que augmenta la relació volumètrica de metiltrietoxisilà a l'ortosilicat de tetraetil, la calor latent disminueix i la hidrofobicitat superficial augmenta. L'àcid làuric pot ser un material central potencial i eficaç per a les fibres de kapok46. A més, Latibari et al. 47 van sintetitzar PCM basats en àcid esteàric utilitzant TiO2 com a material de coberta. Zhu et al. van preparar nanocàpsules de n-octadecà i silicona com a possibles PCM 48. A partir d'una revisió de la literatura, és difícil entendre la dosi recomanada per a la formació de materials de canvi de fase microencapsulats eficaços i estables.
Per tant, segons el coneixement dels autors, la quantitat de material de canvi de fase utilitzat per a la microencapsulació és un paràmetre important per a la producció de materials de canvi de fase microencapsulats eficients i estables. L'ús de diferents quantitats de materials de canvi de fase ens permetrà dilucidar les diferents propietats i estabilitat dels materials de canvi de fase microencapsulats. L'àcid esteàric (àcid gras) és una substància respectuosa amb el medi ambient, mèdicament important i econòmica que es pot utilitzar per emmagatzemar energia tèrmica perquè té un alt valor d'entalpia (~200 J/g) i pot suportar temperatures de fins a 72 °C. A més, el SiO2 no és inflamable, proporciona una major resistència mecànica, conductivitat tèrmica i millor resistència química als materials del nucli, i actua com a material putzolànic en la construcció. Quan el ciment es barreja amb aigua, els PCM mal encapsulats es poden esquerdar a causa del desgast mecànic i les altes temperatures (calor d'hidratació) generades en estructures massives de formigó. Per tant, l'ús de CA microencapsulat amb una closca de SiO2 pot resoldre aquest problema. Per tant, l'objectiu d'aquest estudi va ser investigar el rendiment i l'eficiència dels PCM sintetitzats mitjançant el procés sol-gel en aplicacions de construcció. En aquest treball, hem estudiat sistemàticament diferents quantitats d'SA (com a material base) de 5, 10, 15, 20, 30 i 50 g encapsulades en closques de SiO2. Es va utilitzar una quantitat fixa de tetraetilortosilicat (TEOS) en un volum de 10 ml com a solució precursora per a la formació de la closca de SiO2.
L'àcid esteàric de grau reactiu (SA, C18H36O2, punt de fusió: 72 °C) com a material central es va comprar a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sud. El tetraetilortosilicat (TEOS, C8H20O4Si) com a solució precursora es va comprar a Acros Organics, Geel, Bèlgica. A més, l'etanol absolut (EA, C2H5OH) i el laurilsulfat de sodi (SLS, C12H25NaO4S) es van comprar a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Corea del Sud, i es van utilitzar com a dissolvents i tensioactius, respectivament. També s'utilitza aigua destil·lada com a dissolvent.
Es van barrejar diferents quantitats d'SA amb diferents proporcions de laurilsulfat de sodi (SLS) en 100 mL d'aigua destil·lada utilitzant un agitador magnètic a 800 rpm i 75 °C durant 1 h (Taula 1). Les emulsions d'SA es van dividir en dos grups: (1) 5, 10 i 15 g d'SA es van barrejar amb 0,10 g de SLS en 100 ml d'aigua destil·lada (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3), (2) 20, 30 i 50 g d'SA es van barrejar amb 0,15, 0,20 i 0,25 g de SLS es van barrejar amb 100 ml d'aigua destil·lada (SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). Es van utilitzar 0,10 g de SLS amb 5, 10 i 15 g de SA per formar les respectives emulsions. Posteriorment, es va proposar augmentar el nombre de SLS per a SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6. La taula 1 mostra les proporcions de CA i SLS utilitzades per obtenir solucions d'emulsió estables.
Es posen 10 ml de TEOS, 10 ml d'etanol (EA) i 20 ml d'aigua destil·lada en un vas de precipitats de 100 ml. Per estudiar l'eficiència d'encapsulació de diferents proporcions de closques de SA i SiO2, es va registrar el coeficient de síntesi de totes les mostres. La mescla es va agitar amb un agitador magnètic a 400 rpm i 60 °C durant 1 hora. A continuació, es va afegir la solució precursora gota a gota a l'emulsió de SA preparada, es va agitar vigorosament a 800 rpm i 75 °C durant 2 hores i es va filtrar per obtenir una pols blanca. La pols blanca es va rentar amb aigua destil·lada per eliminar el SA residual i es va assecar en un forn de buit a 45 °C durant 24 hores. Com a resultat, es va obtenir un SC microencapsulat amb una closca de SiO2. Tot el procés de síntesi i preparació de SA microencapsulat es mostra a la Figura 1.
Les microcàpsules d'SA amb una capa de SiO2 es van preparar mitjançant el mètode sol-gel, i el seu mecanisme d'encapsulació es mostra a la Figura 2. El primer pas consisteix a preparar una emulsió d'SA en una solució aquosa amb SLS com a tensioactiu. En aquest cas, l'extrem hidrofòbic de la molècula d'SA s'uneix a SLS, i l'extrem hidrofílic a molècules d'aigua, formant una emulsió estable. Així, les parts hidrofòbiques de SLS queden protegides i cobreixen la superfície de la gota d'SA. D'altra banda, la hidròlisi de les solucions de TEOS es produeix lentament per les molècules d'aigua, cosa que condueix a la formació de TEOS hidrolitzat en presència d'etanol (Fig. 2a) 49,50,51. El TEOS hidrolitzat experimenta una reacció de condensació, durant la qual el TEOS n-hidrolitzat forma cúmuls de sílice (Fig. 2b). Els cúmuls de sílice van ser encapsulats per SA52 en presència de SLS (Fig. 2c), el que s'anomena procés de microencapsulació.
Diagrama esquemàtic de la microencapsulació de CA amb una capa de SiO2 (a) hidròlisi de TEOS (b) condensació de l'hidrolitzat i (c) encapsulació de CA amb una capa de SiO2.
L'anàlisi química de l'SA a granel i de l'SA microencapsulat es va dur a terme mitjançant un espectròmetre d'infrarojos de transformada de Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, EUA) i els espectres es van registrar en el rang de 500 a 4000 cm-1.
Es va utilitzar un difractòmetre de raigs X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japó) per analitzar les fases massives de SA i els materials de les microcàpsules. L'escaneig estructural de raigs X es va dur a terme en el rang de 2θ = 5°–95° amb una velocitat d'escaneig de 4°/min, utilitzant radiació Cu-Kα (λ = 1.541 Å), condicions de funcionament de 25 kV i 100 mA, en mode d'escaneig continu. Les imatges de raigs X es van construir en el rang de 2θ = 5–50°, ja que no es va observar cap pic després de 50° en totes les mostres.
Es va realitzar una espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS, Scienta Omicron R3000, EUA) utilitzant Al Kα (1486,6 eV) com a font de raigs X per comprendre l'estat químic de l'SA a granel, així com els elements presents al material d'encapsulació. Els espectres XPS recollits es van calibrar al pic C 1s utilitzant carboni exòtic (energia d'enllaç 284,6 eV). Després de la correcció de fons mitjançant el mètode Shirley, els pics d'alta resolució de cada element es van deconvolucionar i ajustar a funcions gaussianes/lorentzianes mitjançant el programari CASA XPS.
La morfologia de les mostres de Schwann a granel i microencapsulades es va examinar mitjançant microscòpia electrònica de rastreig (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, República Txeca) equipada amb espectroscòpia de raigs X per dispersió d'energia (EDS) a 15 kV. Abans de les imatges SEM, les mostres es van recobrir amb platí (Pt) per evitar efectes de càrrega.
Les propietats tèrmiques (punt de fusió/solidificació i calor latent) i la fiabilitat (cicle tèrmic) es van determinar mitjançant calorimetria diferencial d'escombratge (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, EUA) a una velocitat d'escalfament/refredament de 10 °C/min a 40 °C i 90 °C amb purga contínua de nitrogen. L'anàlisi de pèrdua de pes es va dur a terme mitjançant un analitzador TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, EUA) en un flux continu de nitrogen a partir d'una temperatura de 40–600 °C, amb una velocitat d'escalfament de 10 °C/min.
La figura 3 mostra els espectres FTIR de SC a granel, així com de SC microencapsulats (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). Els pics d'absorció a 2910 cm-1 i 2850 cm-1 en totes les mostres (SA, així com SA microencapsulats) s'atribueixen a les vibracions d'estirament simètriques dels grups –CH3 i –CH2, respectivament10,50. El pic a 1705 cm-1 correspon a l'estirament vibracional de l'enllaç C=O. Els pics a 1470 cm-1 i 1295 cm-1 s'atribueixen a la vibració de flexió en el pla del grup funcional –OH, mentre que els pics a 940 cm-1 i 719 cm-1 corresponen a la vibració en el pla i a la vibració de deformació en el pla de rendiment, respectivament. grup –OH. També es van observar pics d'absorció d'SA a 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 i 719 cm-1 en tots els SA microencapsulats. A més, es va observar un pic recentment descobert a 1103 cm-1 corresponent a la vibració d'estirament antisimètric de la banda Si-O-Si a la microcàpsula de SA. Els resultats de FT-IR són consistents amb Yuan et al. 50 Van preparar amb èxit SA microencapsulat en una proporció amoníac/etanol i van trobar que no es produïa cap interacció química entre SA i SiO2. Els resultats de l'estudi FT-IR actual mostren que la capa de SiO2 va encapsular amb èxit SA (nucli) mitjançant el procés de condensació i polimerització de TEOS hidrolitzat. A un contingut de SA més baix, la intensitat del pic de la banda Si-O-Si és més alta (Fig. 3b-d). A mesura que la quantitat de SA augmenta a més de 15 g, la intensitat del pic i l'eixamplament de la banda Si-O-Si disminueixen gradualment, cosa que indica la formació d'una capa fina de SiO2 a la superfície de SA.
Espectres FTIR de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
Els patrons de XRD de l'SA a granel i l'SA microencapsulat es mostren a la Figura 4. Els pics de XRD es troben a 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° ((\overline {5}segons JCPDS No. 0381923, 02)), 21,42° en totes les mostres (311), 24,04° (602) i 39,98° (913) s'assignen a l'SA. Distorsió i hibridació amb l'AC a granel a causa de factors incerts com el tensioactiu (SLS), altres substàncies residuals i la microencapsulació de SiO250. Després de l'encapsulació, la intensitat dels pics principals (300), (500), (311) i (602) disminueix gradualment en comparació amb l'AC a granel, cosa que indica una disminució de la cristal·linitat de la mostra.
Patrons de XRD de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
La intensitat de SATEOS1 disminueix dràsticament en comparació amb altres mostres. No es van observar altres pics en totes les mostres microencapsulades (Fig. 4b-g), la qual cosa confirma que l'adsorció física de SiO252 en lloc de la interacció química es produeix a la superfície de l'SA. A més, també es va concloure que la microencapsulació de SA no va conduir a l'aparició de cap nova estructura. El SiO2 roman intacte a la superfície de SA sense cap reacció química, i a mesura que la quantitat de SA disminueix, els pics existents es fan més evidents (SATEOS1). Aquest resultat indica que el SiO2 encapsula principalment la superfície de SA. El pic a (700) desapareix completament, i el pic a \((\overline{5}02)\) es converteix en una gepa a SATEOS 1 (Fig. 4b), que s'associa amb una cristal·linitat reduïda i un amorfisme augmentat. El SiO2 és de naturalesa amorfa, de manera que els pics observats de 2θ = 19° a 25° tenen una gepa i un eixamplament53 (Fig. 4b-g), cosa que confirma l'existència de SiO252 amorf. La menor intensitat del pic de difracció de l'SA microencapsulat es deu a l'efecte de nucleació de la paret interna de sílice i al comportament de cristal·lització limitant49. Es creu que amb un contingut de SA més baix, es forma una capa de sílice més gruixuda a causa de la presència d'una gran quantitat de TEOS, que s'adsorbeix en gran part a la superfície externa de l'SA. Tanmateix, a mesura que augmenta la quantitat de SA, augmenta la superfície de les gotes de SA a la solució d'emulsió i es requereix més TEOS per a un encapsulament correcte. Per tant, amb un contingut de SA més alt, el pic de SiO2 en FT-IR es suprimeix (Fig. 3), i la intensitat del pic de difracció prop de 2θ = 19-25° en XRF (Fig. 4) disminueix i l'expansió també disminueix. No visible. Tanmateix, com es pot veure a la Figura 4, tan bon punt la quantitat d'SA augmenta de 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), els pics s'acosten molt a l'SA a granel, i el pic a (700) apareix amb totes les intensitats de pic identificades. Aquest resultat es correlaciona amb els resultats de FT-IR, on la intensitat del pic SiO2 SATEOS6 disminueix a 1103 cm-1 (Fig. 3g).
Els estats químics dels elements presents a SA, SATEOS1 i SATEOS6 es mostren a les figures 1 i 2, figures 5, 6, 7 i 8 i taula 2. Les exploracions de mesurament per a SA a granel, SATEOS1 i SATEOS6 es mostren a la figura 5 i les exploracions d'alta resolució per a C 1s, O 1s i Si 2p es mostren a les figures 5, 6, 7 i 8 i taula 2, 6, 7 i 8 respectivament. Els valors d'energia d'enllaç obtinguts per XPS es resumeixen a la taula 2. Com es pot veure a la figura 5, es van observar pics evidents de Si 2s i Si 2p a SATEOS1 i SATEOS6, on es va produir microencapsulació de la capa de SiO2. Investigadors anteriors han informat d'un pic similar de Si 2s a 155.1 eV54. La presència de pics de Si a SATEOS1 (Fig. 5b) i SATEOS6 (Fig. 5c) confirma les dades de FT-IR (Fig. 3) i XRD (Fig. 4).
Com es mostra a la Figura 6a, els C 1s de SA a granel tenen tres pics diferents de CC, califàtic i O=C=O a l'energia d'enllaç, que són 284,5 eV, 285,2 eV i 289,5 eV, respectivament. Els pics C–C, califàtic i O=C=O també es van observar a SATEOS1 (Fig. 6b) i SATEOS6 (Fig. 6c) i es resumeixen a la Taula 2. A més d'això, el pic C 1s també correspon a un pic Si-C addicional a 283,1 eV (SATEOS1) i 283,5 eV (SATEOS6). Les nostres energies d'enllaç observades per a C–C, califàtic, O=C=O i Si–C es correlacionen bé amb altres fonts55,56.
Els espectres XPS d'O 1 SA, SATEOS1 i SATEOS6 es mostren a les figures 7a-c, respectivament. El pic O 1s de l'SA a granel està deconvolucionat i té dos pics, concretament C=O/C–O (531.9 eV) i C–O–H (533.0 eV), mentre que l'O 1 de SATEOS1 i SATEOS6 és consistent. Només hi ha tres pics: C=O/C–O, C–O–H i Si–OH55,57,58. L'energia d'enllaç d'O 1s a SATEOS1 i SATEOS6 canvia lleugerament en comparació amb l'SA a granel, la qual cosa s'associa amb un canvi en el fragment químic a causa de la presència de SiO2 i Si-OH al material de la closca.
Els espectres XPS de Si 2p de SATEOS1 i SATEOS6 es mostren a la Figura 8a i b, respectivament. En CA a granel, no es va observar Si 2p a causa de l'absència de SiO2. El pic de Si 2p correspon a 105.4 eV per a SATEOS1 i 105.0 eV per a SATEOS6, corresponent a Si-O-Si, mentre que el pic de SATEOS1 és de 103.5 eV i el pic de SATEOS6 és de 103.3 eV, corresponent a Si-OH55. L'ajust dels pics de Si-O-Si i Si-OH a SATEOS1 i SATEOS6 va revelar una microencapsulació reeixida de SiO2 a la superfície del nucli SA.
La morfologia del material microencapsulat és molt important, ja que afecta la solubilitat, l'estabilitat, la reactivitat química, la fluïdesa i la resistència59. Per tant, es va utilitzar SEM per caracteritzar la morfologia de l'SA a granel (100×) i l'SA microencapsulat (500×), tal com es mostra a la Figura 9. Com es pot veure a la Figura 9a, el bloc SA té una forma el·líptica. La mida de les partícules supera les 500 micres. Tanmateix, un cop continua el procés de microencapsulació, la morfologia canvia dràsticament, tal com es mostra a les Figures 9b–g.
Imatges SEM de (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6 a ×500.
A la mostra SATEOS1, s'observen partícules d'acer inoxidable (SA) quasi esfèriques més petites, embolicades amb SiO2 i amb una superfície rugosa (Fig. 9b), que poden ser degudes a la hidròlisi i la polimerització per condensació de TEOS a la superfície de l'SA, accelerant la ràpida difusió de les molècules d'etanol. Com a resultat, es dipositen partícules de SiO2 i s'observa aglomeració52,60. Aquesta capa de SiO2 proporciona resistència mecànica a les partícules de CA microencapsulades i també evita les fuites de CA fos a temperatures més altes10. Aquest resultat indica que les microcàpsules d'SA que contenen SiO2 es poden utilitzar com a materials potencials d'emmagatzematge d'energia61. Com es pot veure a la Figura 9b, la mostra SATEOS1 té una distribució uniforme de partícules amb una gruixuda capa de SiO2 que encapsula l'SA. La mida de partícula de l'SA microencapsulat (SATEOS1) és d'aproximadament 10-20 μm (Fig. 9b), que és significativament més petita en comparació amb l'SA a granel a causa del menor contingut d'SA. El gruix de la capa de microcàpsules es deu a la hidròlisi i la polimerització per condensació de la solució precursora. L'aglomeració es produeix a dosis més baixes de SA, és a dir, fins a 15 g (Fig. 9b-d), però tan bon punt s'augmenta la dosi, no s'observa cap aglomeració, però s'observen partícules esfèriques clarament definides (Fig. 9e-g) 62.
A més, quan la quantitat de tensioactiu SLS és constant, el contingut d'SA (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) també afecta l'eficiència, la forma i la distribució de la mida de les partícules. Així, es va trobar que SATEOS1 presentava una mida de partícula més petita, una distribució uniforme i una superfície densa (Fig. 9b), cosa que es va atribuir a la naturalesa hidròfila de SA que promou la nucleació secundària sota un tensioactiu constant63. Es creu que augmentant el contingut de SA de 5 a 15 g (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) i utilitzant una quantitat constant de tensioactiu, és a dir, 0,10 g de SLS (Taula 1), la contribució de cada partícula de la molècula de tensioactiu disminuirà, reduint així la mida de les partícules i la mida de les partícules. La distribució de SATEOS2 (Fig. 9c) i SATEOS3 (Fig. 9d) difereix de la distribució de SATEOS 1 (Fig. 9b).
En comparació amb SATEOS1 (Fig. 9b), SATEOS2 va mostrar una morfologia densa d'SA microencapsulat i la mida de les partícules va augmentar (Fig. 9c). Això es deu a l'aglomeració 49, que redueix la taxa de coagulació (Fig. 2b). A mesura que la quantitat de SC augmenta amb l'augment de SLS, les microcàpsules es fan clarament visibles, tal com es mostra a la Fig. com es produeix l'agregació. A més, les figures 9e-g mostren que totes les partícules tenen una forma i mida clarament esfèriques. S'ha reconegut que en presència de grans quantitats de SA, es pot obtenir una quantitat adequada d'oligòmers de sílice, cosa que provoca una condensació i encapsulació adequades i, per tant, la formació de microcàpsules ben definides49. A partir dels resultats del SEM, queda clar que SATEOS6 va formar microcàpsules corresponents en comparació amb una petita quantitat de SA.
Els resultats de l'espectroscòpia de raigs X per dispersió d'energia (EDS) de SA a granel i SA en microcàpsules es presenten a la Taula 3. Com es pot veure en aquesta taula, el contingut de Si disminueix gradualment des de SATEOS1 (12,34%) fins a SATEOS6 (2,68%). Augment de SA. Per tant, podem dir que un augment en la quantitat de SA condueix a una disminució en la deposició de SiO2 a la superfície de SA. No hi ha valors consistents per als continguts de C i O a la Taula 3 a causa de l'anàlisi semiquantitativa de l'EDS51. El contingut de Si de SA microencapsulat es va correlacionar amb els resultats de FT-IR, XRD i XPS.
El comportament de fusió i solidificació de l'SA a granel, així com de l'SA microencapsulat amb capa de SiO2, es mostra a les figures 1 i 2. Es mostren a les figures 10 i 11 respectivament, i les dades tèrmiques es mostren a la taula 4. Es va trobar que les temperatures de fusió i solidificació de l'SA microencapsulat eren diferents. A mesura que augmenta la quantitat de SA, les temperatures de fusió i solidificació augmenten i s'acosten als valors de l'SA a granel. Després de la microencapsulació de l'SA, la paret de sílice augmenta la temperatura de cristal·lització i la seva paret actua com a nucli per promoure l'heterogeneïtat. Per tant, a mesura que augmenta la quantitat de SA, les temperatures de fusió (Fig. 10) i solidificació (Fig. 11) també augmenten gradualment49,51,64. Entre totes les mostres de SA microencapsulades, SATEOS6 va exhibir les temperatures de fusió i solidificació més altes, seguida de SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 i SATEOS1.
SATEOS1 mostra el punt de fusió més baix (68,97 °C) i la temperatura de solidificació (60,60 °C), cosa que es deu a la mida de partícula més petita, en què el moviment de les partícules d'SA dins de les microcàpsules és molt petit i la capa de SiO2 forma una capa gruixuda i, per tant, el material central limita l'estirament i el moviment49. Aquesta hipòtesi està relacionada amb els resultats del SEM, on SATEOS1 va mostrar una mida de partícula més petita (Fig. 9b), cosa que es deu al fet que les molècules d'SA estan confinades dins d'una àrea molt petita de les microcàpsules. La diferència en les temperatures de fusió i solidificació de la massa principal, així com de totes les microcàpsules d'SA amb capes de SiO2, es troba en el rang de 6,10-8,37 °C. Aquest resultat indica que l'SA microencapsulat es pot utilitzar com a material d'emmagatzematge d'energia potencial a causa de la bona conductivitat tèrmica de la capa de SiO2 65.
Com es pot veure a la Taula 4, SATEOS6 té l'entalpia més alta entre tots els SC microencapsulats (Fig. 9g) a causa de l'encapsulació adequada observada per SEM. La taxa d'empaquetament SA es pot calcular mitjançant l'equació (1). (1) Comparant les dades de calor latent de SA49 microencapsulat.
El valor R representa el grau d'encapsulació (%) del SC microencapsulat, ΔHMEPCM,m representa la calor latent de fusió del SC microencapsulat i ΔHPCM,m representa la calor latent de fusió del SC. A més, l'eficiència d'encapsulament (%) es calcula com un altre paràmetre tècnic important, tal com es mostra a l'equació (1). (2)49.
El valor E representa l'eficiència d'encapsulació (%) del CA microencapsulat, ΔHMEPCM,s representa la calor latent de curat del CA microencapsulat i ΔHPCM,s representa la calor latent de curat del CA.
Com es mostra a la Taula 4, el grau d'empaquetament i l'eficiència de SATEOS1 són del 71,89% i el 67,68%, respectivament, i el grau d'empaquetament i l'eficiència de SATEOS6 són del 90,86% i el 86,68%, respectivament (Taula 4). La mostra SATEOS6 presenta el coeficient d'encapsulació i l'eficiència més alts entre tots els SA microencapsulats, cosa que indica la seva alta capacitat tèrmica. Per tant, la transició de sòlid a líquid requereix grans quantitats d'energia. A més, la diferència en les temperatures de fusió i solidificació de totes les microcàpsules de SA i el SA a granel durant el procés de refredament indica que la capa de sílice està espacialment confinada durant la síntesi de microcàpsules. Així, els resultats mostren que a mesura que augmenta la quantitat de SC, la velocitat d'encapsulació i l'eficiència augmenten gradualment (Taula 4).
Les corbes TGA de l'SA a granel i l'SA en microcàpsula amb una capa de SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) es mostren a la Figura 12. Les propietats d'estabilitat tèrmica de l'SA a granel (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) es van comparar amb mostres microencapsulades. A partir de la corba TGA, es desprèn que la pèrdua de pes de l'SA a granel, així com de l'SA microencapsulat, mostra una disminució suau i molt lleugera de 40 °C a 190 °C. A aquesta temperatura, el SC a granel no experimenta descomposició tèrmica, mentre que el SC microencapsulat allibera aigua adsorbida fins i tot després d'assecar-se a 45 °C durant 24 h. Això va provocar una lleugera pèrdua de pes,49 però més enllà d'aquesta temperatura el material va començar a degradar-se. A un contingut d'SA més baix (és a dir, SATEOS1), el contingut d'aigua adsorbida és més alt i, per tant, la pèrdua de massa fins a 190 °C és més alta (inserció a la Fig. 12). Tan bon punt la temperatura puja per sobre dels 190 °C, la mostra comença a perdre massa a causa dels processos de descomposició. L'SA a granel comença a descompondre's a 190 °C i només en queda un 4% a 260 °C, mentre que SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 retenen un 50%, 20% i 12% a aquesta temperatura, respectivament. Després de 300 °C, la pèrdua de massa de l'SA a granel va ser d'aproximadament el 97,60%, mentre que la pèrdua de massa de SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 va ser d'aproximadament el 54,20%, 82,40% i 90,30%, respectivament. Amb un augment del contingut d'SA, el contingut de SiO2 disminueix (Taula 3) i s'observa un aprimament de la closca al SEM (Fig. 9). Així, la pèrdua de pes de l'SA microencapsulat és menor en comparació amb l'SA a granel, la qual cosa s'explica per les propietats favorables de la capa de SiO2, que promou la formació d'una capa de silicat carbonos a la superfície de l'SA, aïllant així el nucli de l'SA i alentint l'alliberament dels productes volàtils resultants10. Aquesta capa de carboni forma una barrera protectora física durant la descomposició tèrmica, limitant la transició de molècules inflamables a la fase gasosa66,67. A més d'això, també podem veure resultats significatius de pèrdua de pes: SATEOS1 mostra valors més baixos en comparació amb SATEOS3, SATEOS6 i SA. Això es deu al fet que la quantitat de SA a SATEOS1 és menor que a SATEOS3 i SATEOS6, on la capa de SiO2 forma una capa gruixuda. En canvi, la pèrdua de pes total de l'SA a granel arriba al 99,50% a 415 °C. No obstant això, SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 van mostrar una pèrdua de pes del 62,50%, 85,50% i 93,76%, respectivament, a 415 °C. Aquest resultat indica que l'addició de TEOS millora la degradació de l'SA formant una capa de SiO2 a la superfície de l'SA. Aquestes capes poden formar una barrera protectora física i, per tant, es pot observar una millora en l'estabilitat tèrmica de l'AC microencapsulat.
Els resultats de fiabilitat tèrmica de l'SA a granel i la millor mostra microencapsulada (és a dir, SATEOS 6) després de 30 cicles d'escalfament i refredament de DSC51,52 es mostren a la Figura 13. Es pot veure que l'SA a granel (Figura 13a) no mostra cap diferència en la temperatura de fusió, solidificació i valor d'entalpia, mentre que SATEOS6 (Fig. 13b) no mostra cap diferència en la temperatura i el valor d'entalpia, fins i tot després del 30è cicle d'escalfament i el procés de refredament. L'SA a granel va mostrar un punt de fusió de 72,10 °C, una temperatura de solidificació de 64,69 °C, i la calor de fusió i solidificació després del primer cicle va ser de 201,0 J/g i 194,10 J/g, respectivament. Després del 30è cicle, el punt de fusió d'aquests valors va disminuir a 71,24 °C, la temperatura de solidificació va disminuir a 63,53 °C i el valor d'entalpia va disminuir un 10%. Els canvis en les temperatures de fusió i solidificació, així com les disminucions en els valors d'entalpia, indiquen que el CA a granel no és fiable per a aplicacions que no siguin de microencapsulació. Tanmateix, després que es produeixi una microencapsulació adequada (SATEOS6), les temperatures de fusió i solidificació i els valors d'entalpia no canvien (Fig. 13b). Un cop microencapsulat amb closques de SiO2, el SA es pot utilitzar com a material de canvi de fase en aplicacions tèrmiques, especialment en la construcció, a causa de les seves temperatures òptimes de fusió i solidificació i l'entalpia estable.
Corbes DSC obtingudes per a les mostres SA (a) i SATEOS6 (b) al 1r i 30è cicle d'escalfament i refredament.
En aquest estudi, es va dur a terme una investigació sistemàtica de la microencapsulació utilitzant SA com a material central i SiO2 com a material de cobertura. El TEOS s'utilitza com a precursor per formar una capa de suport de SiO2 i una capa protectora a la superfície de SA. Després de la síntesi reeixida de SA microencapsulat, els resultats de FT-IR, XRD, XPS, SEM i EDS van mostrar la presència de SiO2. L'anàlisi SEM mostra que la mostra SATEOS6 presenta partícules esfèriques ben definides envoltades de cobertes de SiO2 a la superfície de SA. Tanmateix, el MEPCM amb un contingut de SA més baix presenta aglomeració, cosa que redueix el rendiment del PCM. L'anàlisi XPS va mostrar la presència de Si-O-Si i Si-OH a les mostres de microcàpsules, la qual cosa va revelar l'adsorció de SiO2 a la superfície de SA. Segons l'anàlisi del rendiment tèrmic, SATEOS6 mostra la capacitat d'emmagatzematge de calor més prometedora, amb temperatures de fusió i solidificació de 70,37 °C i 64,27 °C, respectivament, i calor latent de fusió i solidificació de 182,53 J/g i 160,12 J/g. G. respectivament. L'eficiència màxima d'encapsulament de SATEOS6 és del 86,68%. L'anàlisi del cicle tèrmic TGA i DSC va confirmar que SATEOS6 encara té una bona estabilitat tèrmica i fiabilitat fins i tot després de 30 processos d'escalfament i refredament.
Yang T., Wang XY i Li D. Anàlisi del rendiment d'un sistema d'adsorció compost sòlid-gas termoquímic per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica i millora de la seva eficiència. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. i Al-Hallaj, S. Una revisió de l'emmagatzematge d'energia de canvi de fase: materials i aplicacions. Convertidor d'energia. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS i Saini JS Rendiment de transferència de calor de sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica mitjançant càpsules PCM: una revisió, actualització i suport. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. i Bruno, F. Una revisió dels materials d'emmagatzematge i les tecnologies de millora del rendiment tèrmic per a sistemes d'emmagatzematge tèrmic de canvi de fase d'alta temperatura. Actualització. Suport. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Preparació i caracterització de materials de canvi de fase n-tetradecà d'energia tèrmica nanoencapsulats. Enginyer químic. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. i Li, M. Síntesi de nous materials compostos de canvi de fase estables en forma utilitzant aerogels de grafè modificats per a la conversió i l'emmagatzematge d'energia solar. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., i Fang, G. Caracterització morfològica i aplicació de materials de canvi de fase en l'emmagatzematge d'energia tèrmica: una revisió, actualització i suport. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).